Φ2 200 mm氨合成系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)改造總結(jié)

徐 國(guó)　向 超　譚 暢（湖北三寧化工股份有限公司 湖北三寧443206）

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Φ2 200 mm氨合成系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)改造總結(jié)

徐 國(guó)向 超譚 暢
（湖北三寧化工股份有限公司 湖北三寧443206）

0　前言

湖北三寧化工股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱三寧公司）尿素廠于2008年11月建成投產(chǎn)，該氨合成系統(tǒng)配套的中壓醇烴化凈化流程包括2套醇化系統(tǒng)和1套烴化系統(tǒng)，醇化塔和烴化塔均為Φ1 600 mm軸徑向塔，操作壓力為13 MPa。合成塔內(nèi)件選用湖南安醇公司的ⅢJD2000型Φ2 200 mm氨塔內(nèi)件，結(jié)構(gòu)為3層4段、1軸2徑式，最高工作壓力26 MPa，配置副產(chǎn)2.5 MPa蒸汽的廢熱鍋爐。該裝置在投產(chǎn)初期日均產(chǎn)氨的最高達(dá)928 t，后由于多方面原因?qū)е庐a(chǎn)量逐步下降，系統(tǒng)經(jīng)常超壓，尤其是從2011年6月開(kāi)始，氨合成系統(tǒng)阻力逐步上漲，到2011年10月，系統(tǒng)阻力由起初的1.9 MPa上升至2.8 MPa，為保護(hù)設(shè)備的安全運(yùn)行，氨合成系統(tǒng)被迫減量運(yùn)行，日均產(chǎn)氨量最低時(shí)不足800 t。

氨合成系統(tǒng)工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1　氨合成系統(tǒng)工藝流程

1　產(chǎn)能下降的原因分析

1.1 氨合成塔催化劑活性衰退

氨合成塔催化劑總填裝量147 t（50 m3）。開(kāi)車初期，由于操作經(jīng)驗(yàn)不足，經(jīng)常大幅超溫，對(duì)催化劑活性影響較大；由于對(duì)催化劑的保護(hù)不當(dāng)，多次發(fā)生醇醚類物質(zhì)致催化劑中毒現(xiàn)象；此外，上層催化劑本身在升溫還原中還原質(zhì)量不好，且有因催化劑填裝不均發(fā)生沉降的現(xiàn)象，導(dǎo)致上層催化劑活性差、溫升小、平面溫差大，整個(gè)床層熱點(diǎn)溫度由上層軸向段下移至徑向?qū)永涔芏危焙铣煞磻?yīng)差，最終也導(dǎo)致了系統(tǒng)壓力高，動(dòng)力消耗高、嚴(yán)重制約了氨合成系統(tǒng)產(chǎn)能的提高。該塔催化劑使用僅僅3年，熱點(diǎn)溫度已經(jīng)由最初的478℃逐步提至500℃。

1.2阻力上漲

醇烴化系統(tǒng)長(zhǎng)期超負(fù)荷運(yùn)行，醇化和烴化催化劑活性均有不同程度的衰退，而受脫碳工藝的影響，醇化系統(tǒng)進(jìn)口氣體中φ（CO2）長(zhǎng)期超標(biāo)2%左右，導(dǎo)致烴化出口氣體中φ（CO2）為15×10-6，CO2含量偏高的補(bǔ)氣與含氨的循環(huán)氣匯合，最終在氨合成系統(tǒng)入合成塔前段設(shè)備內(nèi)生成銨鹽結(jié)晶而堵塞了氣體通道，引起系統(tǒng)阻力上漲。測(cè)試的氨合成系統(tǒng)阻力對(duì)比見(jiàn)表1。

表1　測(cè)試的氨合成系統(tǒng)阻力對(duì)比MPa

由表1可見(jiàn)，系統(tǒng)阻力增大主要分布在氨分-冷交段，而這段恰恰是氨合成新鮮氣通過(guò)的位置，由此可以判斷阻力上升的根本原因是因新鮮氣中CO2含量長(zhǎng)期過(guò)高與氨反應(yīng)生成銨鹽結(jié)晶引起的。

1.3循環(huán)機(jī)故障頻繁

2010年5月起，循環(huán)機(jī)連桿大、小瓦拉瓦經(jīng)常發(fā)生，尤其是系統(tǒng)阻力上升后幾臺(tái)循環(huán)機(jī)電流長(zhǎng)期超標(biāo)，額定電流64 A，而最高電流達(dá)到70 A，拉瓦事故頻繁發(fā)生，嚴(yán)重時(shí)2臺(tái)循環(huán)機(jī)同時(shí)發(fā)生故障，系統(tǒng)被迫減量運(yùn)行。為延長(zhǎng)循環(huán)機(jī)的運(yùn)行周期和維持正常生產(chǎn)的持續(xù)進(jìn)行，開(kāi)氨合成系統(tǒng)大近路1～2格，以減輕循環(huán)機(jī)負(fù)荷，這樣就不可避免對(duì)氨合成產(chǎn)量造成一定影響。選用2D-25-13.7/235～260型平衡對(duì)稱式循環(huán)機(jī)，排氣量為13.7 m3/min（標(biāo)態(tài)），3開(kāi)1備，因氣缸為單作用式結(jié)構(gòu)，活塞受力大，出口氣流脈沖大，導(dǎo)致循環(huán)機(jī)負(fù)荷重、振動(dòng)大、故障頻發(fā)，同時(shí)系統(tǒng)阻力高進(jìn)一步加劇了循環(huán)機(jī)的磨損。

2　解決措施

針對(duì)上述問(wèn)題，經(jīng)認(rèn)真分析研究，采取了相應(yīng)的技術(shù)措施，從根源上解決了一系列導(dǎo)致氨合成產(chǎn)能持續(xù)下降、動(dòng)力消耗高及設(shè)備維修成本高的難題。

2.1更換部分催化劑

針對(duì)上層催化劑活性衰退的現(xiàn)象，于2011年底將上層部分催化劑更換為還原態(tài)催化劑。此次填裝采用氮?dú)饨禍亍⒌獨(dú)獗Ｗo(hù)、真空抽吸催化劑、干法分離操作方法，即把降溫后的催化劑用羅茨風(fēng)機(jī)通過(guò)管道抽出，抽出的催化劑與保護(hù)介質(zhì)氮?dú)夥蛛x后，立即用水沖洗氧化降溫后運(yùn)走，氮?dú)饨?jīng)水冷器降溫后返回，并從合成塔塔頂零米催化劑表面進(jìn)入塔內(nèi)，形成氮?dú)庋h(huán)氣路（注意真空度，防止誤操作抽入空氣），在塔底主出氣口補(bǔ)入氮?dú)狻９渤槿∩蠈优f催化劑約18 t，實(shí)際裝入還原態(tài)催化劑17.8 t，占整個(gè)氨塔催化劑填裝總量的12%。開(kāi)車時(shí)，用φ（H2）為70%的氫氮?dú)鈱?duì)上層催化劑進(jìn)行8 h的升溫還原，首先將零米催化劑溫度提高至480℃，然后將上層催化劑熱點(diǎn)溫度提高至500℃恒溫4 h即結(jié)束對(duì)新催化劑的升溫還原。

氨合成系統(tǒng)投運(yùn)后，上層催化劑的活性得到了顯著發(fā)揮，零米溫度395℃，熱點(diǎn)485℃，整個(gè)床層熱點(diǎn)溫度重新回到上層，相同工況下系統(tǒng)壓力下降近1.0 MPa，日均氨產(chǎn)量達(dá)到1 015 t。2013年3月22日，日產(chǎn)氨1 040.53 t，達(dá)到歷史最高記錄。

2.2消除阻力

針對(duì)氨合成系統(tǒng)阻力上升的現(xiàn)象，采取了2項(xiàng)措施：①先加入80℃熱水，然后用120℃的蒸汽對(duì)氨合成系統(tǒng)氨分-冷交段設(shè)備管線進(jìn)行熱洗，將設(shè)備內(nèi)部的銨鹽完全分解；②更換醇化活性較差的A塔催化劑，同時(shí)對(duì)烴化催化劑進(jìn)行深度還原，大大提高了醇烴化系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化率，從根本上消除了氨合成系統(tǒng)阻力大的困擾，對(duì)于提高氨合成補(bǔ)氣凈化度和確保裝置穩(wěn)定高效運(yùn)行起到了決定性作用。

另外，本次烴化催化劑深度還原是三寧公司第1次對(duì)運(yùn)行中催化劑進(jìn)行深度解毒。實(shí)踐證明，采用φ（H2）為70%的氫氮?dú)鈱⒋呋瘎┨釡刂?00℃的還原溫度對(duì)于提高催化劑使用活性的方法是有成效的。本次深度還原采用分層還原的方式，將催化劑的上、中、下層分別提溫至500℃進(jìn)行恒溫，邊補(bǔ)氣邊放空置換，保證循環(huán)φ（H2）維持在65%以上，同時(shí)對(duì)所分離出來(lái)的少量氨水和一些有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行排放收集，整個(gè)深度還原過(guò)程歷時(shí)30 h。重新并入系統(tǒng)運(yùn)行后，催化劑轉(zhuǎn)化率得到大幅提高，在烴化系統(tǒng)進(jìn)口氣體中φ（CO+ CO2）為0.3%的相同工況下，出口氣體中φ（CO+CO2）由原20×10-6降至10×10-6左右，從根本上解決了氨合成系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)部銨鹽結(jié)晶而引起的氣體通道堵塞的問(wèn)題。

此外，針對(duì)氨合成塔阻力偏大的問(wèn)題，對(duì)氣體分流進(jìn)行了改動(dòng)，新增了1條熱副線，從塔底引入，與塔底冷副線混合進(jìn)入上部換熱器再到中心管，進(jìn)入上催化劑層反應(yīng)，即在原來(lái)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步加大了氣體分流量。開(kāi)車后，合成塔壓差在原基礎(chǔ)上下降了0.1 MPa，同時(shí)，由于部分塔內(nèi)換熱量轉(zhuǎn)移到塔外，出塔氣體溫度上升近20℃，廢熱鍋爐副產(chǎn)蒸汽提高了10 t/h。目前，氨合成系統(tǒng)阻力一直穩(wěn)定在1.8 MPa，冷交-氨分段阻力也一直穩(wěn)定在0.25 MPa，合成塔阻力1.0 MPa。醇烴化系統(tǒng)改造前、后工藝指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表2。

表2　醇烴化系統(tǒng)改造前、后的工藝指標(biāo)對(duì)比

2.3改造循環(huán)機(jī)

針對(duì)循環(huán)機(jī)單作用式活塞受力負(fù)載過(guò)大的問(wèn)題，將原單吸式結(jié)構(gòu)改造成雙吸式，每個(gè)氣缸各增加了1只進(jìn)、出口活門，同時(shí)將原來(lái)的缸體直徑縮小，缸套直徑由原來(lái)的Φ293 mm改為Φ235 mm，大大減輕了曲軸和連桿的受力。由于采用了雙吸式結(jié)構(gòu)，循環(huán)機(jī)的活塞受力更小、更平衡，振動(dòng)變小，電耗也隨之大幅下降，單機(jī)運(yùn)行電流下降約15 A，打氣量在氣缸直徑大幅縮小的情況下不僅沒(méi)有下降，反而有所提高。3臺(tái)循環(huán)機(jī)全部改造后總循環(huán)量提高在至約30 000 m3/h（標(biāo)態(tài)），經(jīng)計(jì)算，每臺(tái)循環(huán)機(jī)打氣量由原13.7 m3/min（標(biāo)態(tài)）提高至14.2 m3/min（標(biāo)態(tài)）。循環(huán)機(jī)改造前、后運(yùn)行參數(shù)和經(jīng)濟(jì)性對(duì)比見(jiàn)表3。

經(jīng)計(jì)算，改造1臺(tái)循環(huán)機(jī)，1年可節(jié)約電費(fèi)50萬(wàn)余元，3臺(tái)循環(huán)機(jī)運(yùn)行全年可節(jié)約電費(fèi)150萬(wàn)余元，維修費(fèi)用和人力維護(hù)成本也大大下降，1年可節(jié)約維修經(jīng)費(fèi)20余萬(wàn)元；同時(shí)，由于打氣量的提高對(duì)于裝置產(chǎn)能的擴(kuò)大也創(chuàng)造了良好條件。本次技改總投資約180余萬(wàn)元，1年即可收回改造成本，具有良好的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益。

3　裝置改造后總體運(yùn)行效果分析

通過(guò)2011年的一系列改造，整個(gè)氨合成系統(tǒng)的工藝狀況和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效益得到了很大的改善，完全達(dá)到了擴(kuò)產(chǎn)和降耗的改造預(yù)定目標(biāo)，在產(chǎn)量和電耗2項(xiàng)指標(biāo)方面甚至超出了預(yù)期效果。氨合成改造前、后的運(yùn)行效果對(duì)比見(jiàn)表4。

表4　氨合成改造前、后的運(yùn)行效果對(duì)比

經(jīng)過(guò)此次對(duì)氨合成系統(tǒng)的技術(shù)改造，雖然解決了一些導(dǎo)致氨合成系統(tǒng)產(chǎn)能持續(xù)下降和消耗高的瓶頸問(wèn)題，但也有一些遺留的新問(wèn)題，如：氨合成新填裝上層催化劑在開(kāi)車后發(fā)現(xiàn)平面溫差高達(dá)40℃，經(jīng)推測(cè)，可能是催化劑填裝不均勻所致；由于氨合成系統(tǒng)的產(chǎn)能擴(kuò)大，特別是循環(huán)機(jī)改造后總循環(huán)量的增加，造成了冷凍系統(tǒng)負(fù)荷加重，致使氨冷溫度由原來(lái)的-8℃上升至-5℃，后通過(guò)對(duì)氨冷系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化配置，問(wèn)題得以解決；循環(huán)氣甲烷仍舊偏高，雖然本次大修對(duì)高壓膜提氫流程也進(jìn)行了改造，將原兩大并聯(lián)流程改為大串聯(lián)，提氫效果有所提高，但隨著放空量的增加，分離效果仍不佳，尾氣中φ（H2）高達(dá)25%，導(dǎo)致一部分有效氣體放空損失。

4　結(jié)語(yǔ)

本次氨合成系統(tǒng)的技術(shù)改造達(dá)到了預(yù)期效果，單塔氨產(chǎn)量遠(yuǎn)超250 kt/a的設(shè)計(jì)能力，可達(dá)到34.30 kt/a，超出設(shè)計(jì)能力的35%；同時(shí)，氨合成系統(tǒng)的噸氨電耗由原來(lái)的72 kW·h下降至65 kW·h，年節(jié)約118萬(wàn)元，年節(jié)約維修經(jīng)費(fèi)20余萬(wàn)元。

收稿日期（2015-02-05）